Novel Binder Designs in Emerging Rechargeable Batteries

Jang Wook Choi(최장욱) 한국고분자학회 2023 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 Vol.48 No.1

Supramolecular Binder Designs for High Capacity Battery Electrode Materials

Jang Wook Choi(최장욱) 한국고분자학회 2019 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 Vol.44 No.1

Connecting Battery Components: Advanced Binder Designs for Emerging Rechargeable Batteries

Jang Wook Choi(최장욱) 한국고분자학회 2021 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 Vol.46 No.1

Lithium-ion batteries (LIBs) have been successful in various applications. All-solid-state-batteries (ASSBs) are drawing discernable attention due to their superior safety. In particular, in response to this trend related to those emerging batteries, new binder designs are demanded. In the first part of this talk, I will present advanced binder designs for LIB electrodes that undergo huge volume change. Such binder designs emphasize a principle relying on supramolecular chemistries, including hydrogen interaction, ion-dipole interaction, and ring-sliding motion in molecular machines. In the second part of this talk, I will introduce some binder designs targeting sulfide-based ASSBs. I will first introduce the difficulty of finding solvent-binder pairs compatible with sulfide electrolytes and will then cover our recent process on how to avoid the given problem. Along this direction, I will introduce binder designs based on click and deprotection chemistry.

Polymeric Binders for Emerging Lithium-Ion Batteries

Jang Wook Choi(최장욱) 한국고분자학회 2022 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 Vol.47 No.2

음식물쓰레기와 폐플라스틱을 배합한 고형연료제품 제조 연구

이재희 ( Jae-hee Lee ),최장욱 ( Jang-wook Choi ),최신묵 ( Shin-mook Choi ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

국내 2020년 신재생에너지 보급률 목표 6.08% 달성을 위해 폐자원 및 바이오매스 에너지화 대책 실행계획(2009)에 따르면 전체 총 에너지의 4.16%(신재생에너지 목표율의 68.4%)를 폐자원 및 바이오매스 에너지로 대체할 계획을 가지고 있다. 2013년 에너지 가용 폐기물 및 유기성 폐기물(음식물쓰레기, 하수슬러지, 가축분뇨등)의 배출량이 폐자원 및 바이오매스 에너지 자원으로 활용될 수 있다. 이러한 가용에너지 활성화를 위해서는 음식물쓰레기(2014년 기준 13,223톤) 건조공정에서 발생되는 건조부산물과 가정이나 사업장에서 배출되는 폐플라스틱과 같은 폐자원의 지속적인 확보가 필요하다. 국내의 경우, 음식물쓰레기 처리는 분리수거 후 차량으로 운송하여 습식 사료화, 건식 사료화, 호기성 퇴비화, 혐기성 퇴비화, 하수병합, 지렁이 및 동애등에 사육, 버섯재배 등의 자원화 공정으로 최종처리되고 있으나 음폐수 최종처리 문제 해결 및 자원화의 효율성을 위해 시설추가 또는 개선기술 확보가 필요할 뿐만 아니라 발생원에서 최종처리를 위한 열적 에너지화와 같은 근본적인해결방안이 필요한 것으로 나타났다. 또한 국외의 경우에는 분리수거가 제도화되지 않은 것을 제외하고는 유사하며, 특히 플라스틱 포장재가 혼합된 공항의 기내식과 대형마켓의 유통기한이 지난 고함수 음식물쓰레기를 에너지화하기 위해서는 파쇄 및 건조와 같은 전처리공정이 필요하다. 이 때 음식물쓰레기와 폐플라스틱류를 배합하여 제조한 고형연료는 폐자원 및 바이오매스 에너지 자원이 될 수 있다. 2018년 4월 국내에서는 아파트에서 배출되는 폐플라스틱 수거 거부사태가 발생하였으며, 이는 연간 730만톤의 해외로부터 생활계폐기물을 수입해오던 중국의 제13차 5개년 계획으로 폐플라스틱을 포함한 24종의 고체폐기물 수입금지로 발생되었다. 이로 인해 국내 폐비닐의 경우 40% 가량이 이물질이 묻어 재활용이 불가능함에 따라 소각비용이 톤당 5만원에서 25만원으로 급상승하게 되어 현실적인 국민생활문제 해결방안이 필요한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 이러한 국민생활문제 해결에 기여하고 폐자원에너지화의 방안으로, 공항과 대형마켓에서 발생되는 폐비닐이 혼합된 음식물쓰레기를 재활용 할 수 있는 폐자원에너지화 고형연료 제조기술 확보를 위해 전처리 파쇄공정이 연계된 건조시스템의 설계, 제작, 설치 및 운영기술과 생산된 고형연료제품의 품질을 확보하고자 하였다. 그 결과 원료투입량 기준으로 1.7~5.0 wt.%(고형물 건기준으로 11.8~33.2 wt.%) 폐비닐 배합에서 저위발열량 4,993.6±342.5 kcal/kg(Mean±S.D., n=5)의 결과를 확보하였다.

커피찌꺼기 고형연료 품질확보를 위한 가스열원 건조기

이재회(Jae-Hee Lee),최장욱(Jang-Wook Choi),최신묵(Shin-Mook Choi) 한국열환경공학회 2019 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2019 No.춘계

국내 커피매장이나 커피음료 생산시설에서 발생하는 커피찌꺼기는 2014년 기준 연간 27만톤이 발생되어 단순처리비용이 324억원(12만원/톤)이 소요되었으며, 처리과정에서 온실가스 배출량이 연간 50,490톤이 배출되는 것으로 보고되었다1). 커피찌꺼기 1 kg은 바이오디젤 170 g, 바이오 에탄올 415 g, 바이오펠릿 415 g이 생산되며, 함수율 3.0%에서 저위발열량 4,867 kcal/kg, 회분 2.2 wt.%, 염소 0.1 wt.% 등으로 목재펠릿과 유사한 특성을 보임에 따라 바이오매스로의 활용잠재성이 높은 것으로 나타났다2). 사업장에서 배출된 커피찌꺼기는 원료함수율이 80.8%로 높아 자원화를 위해서는 전처리공정으로 건조공정이 반드시 필요할 뿐만 아니라 건조부산물의 연료특성 결과 확보가 요구된다. 이를 위해 본 연구에서는 전기열원 건조기에 비해 운영비용 절감과 온실가스 배출량 감축이 상대적으로 우수한 가스열원 건조기3)를 이용하여 건조 후 펠릿 성형하였으며, 그 결과 직경 6 mm, 길이 10 mm 펠릿, 0.9% 함수율 기준, 저위발열량 5,710 kcal/kg, 내구성(Durability) 64.4%의 결과를 확보하였다.

원자힘 현미경으로 측정된 리튬화 실리콘 나노선의 나노기계적 성질

이현수,신원호,권상구,최장욱,박정영,Lee, Hyun-Soo,Shin, Weon-Ho,Kwon, Sang-Ku,Choi, Jang-Wook,Park, Jeong-Young 한국진공학회 2011 Applied Science and Convergence Technology Vol.20 No.6

원자힘 현미경을 이용하여 실리콘 기판 위에 증착된 실리콘 나노선과 리튬화된 실리콘 나노선의 나노기계적 성질을 연구했다. 금 촉매를 사용하여 스테인리스 기판 위에서 증기-액체-고체 과정을 통해 실리콘 나노선을 합성하였다. 완전히 리튬화된 실리콘 나노선을 얻기 위해서 전기 화학적 방법을 사용했고, 이를 실리콘 기판 위에 증착하였다. 접촉모드 원자힘 현미경으로 측정된 표면 거칠기는 실리콘 나노선에서 $0.65{\pm}0.05$ nm에 비해 리튬화된 실리콘 나노선에서 $1.72{\pm}0.16$ nm으로 더 큰 값을 보여주었다. 탐침과 표면 사이의 접착력에서 리튬화의 영향을 조사하기 위해 힘 분광기법을 사용했다. 실리콘 나노선의 접착력이 실리콘 기판과 ~60 nN으로 흡사한 반면에, 리튬화된 실리콘 나노선은 ~15 nN으로 더 작은 값을 나타냈다. 또한, 탄성적으로 부드러운 무정형 구조 때문에 국부적 탄성 스프링 상수도 실리콘 나노선 66.30 N/m보다 완전히 리튬화된 실리콘 나노선이 16.98 N/m으로 상대적으로 작았다. 실리콘 나노선과 완전히 리튬화된 실리콘 나노선에서 탐침과 표면 사이에 마찰력의 수직항력 의존성과 스캔 속도 의존성을 조사하기 위하여 각 0.5~4.0 Hz와 0.01~200 nN으로 측정했다. 본 연구에서 실리콘과 리튬화된 실리콘의 기계적 성질에 관련된 접착력과 마찰력의 경향성이 보여졌고 이러한 방향의 연구는 충-방전 동안 리튬화된 나노수준의 영역의 화학적 맵핑에 응용성을 보여준다. The nanomechanical properties of fully lithiated and unlithiated silicon nanowire deposited on silicon substrate have been studied with atomic force microscopy. Silicon nanowires were synthesized using the vapor-liquid-solid process on stainless steel substrates using Au catalyst. Fully lithiated silicon nanowires were obtained by using the electrochemical method, followed by drop-casting on the silicon substrate. The roughness, derived from a line profile of the surface measured in contact mode atomic force microscopy, has a smaller value ($0.65{\pm}0.05$ nm) for lithiated silicon nanowire and a higher value ($1.72{\pm}0.16$ nm) for unlithiated silicon nanowire. Force spectroscopy was utilitzed to study the influence of lithiation on the tip-surface adhesion force. Lithiated silicon nanowire revealed a smaller value (~15 nN) than that of the Si nanowire substrate (~60 nN) by a factor of two, while the adhesion force of the silicon nanowire is similar to that of the silicon substrate. The elastic local spring constants obtained from the force-distance curve, also shows that the unlithiated silicon nanowire has a relatively smaller value (16.98 N/m) than lithiated silicon nanowire (66.30 N/m) due to the elastically soft amorphous structures. The frictional forces of lithiated and unlithiated silicon nanowire were obtained within the range of 0.5-4.0 Hz and 0.01-200 nN for velocity and load dependency, respectively. We explain the trend of adhesion and modulus in light of the materials properties of silicon and lithiated silicon. The results suggest a useful method for chemical identification of the lithiated region during the charging and discharging process.

유기성폐기물 건조공정의 함수율 제어기술

이재희 ( Jae-hee Lee ),최장욱 ( Jang-wook Choi ),최신묵 ( Shin-mook Choi ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2020 No.-

가정 및 식당에서 배출되는 음식물쓰레기 함수율은 73.3~83.3%인 것으로 알려져 있고, 채소류, 과일류, 곡류, 육류, 어패류, 이물질 등이 혼합되어 불균일하게 배출된다. 또한 성상이 균일한 커피찌꺼기와 감귤박은 각각 80.8%, 87.9%로 다양하게 나타났다. 이러한 유기성폐기물을 건조 감량할 수 있는 전기열원을 적용한 열매체유 간접열 건조기의 운전 및 설계조건(가열온도, 투입량, 투입원료 성상, 전열면적)에 따라 건조성능(Specific Moisture Evaporation Rate, SMER)과 건조효율(Drying efficiency) 차이가 발생하고, 건조부산물의 함수율이 과건조(Over-drying) 되거나 불량건조(Lack of drying) 되는 것으로 나타났다. 기존의 열매체유 최대온도 제어로는 이러한 다양한 변화에 실시간으로 대응하기가 어려움에 따라 이를 제어할 수 있는 제어기술을 개발하고자 하였다. 따라서 본 연구에서는 건조공정을 제어하기 위해 건조과정에서 발생된 수증기 온도를 이용한 이동평균 수증기 온도차 기울기(Moving Average Differential Temperature Slope)와 건조기 내부 피건조물과의 직접적인 접촉에 의한 전류(Current) 데이터 값을 이용한 수분강도센서(Moisture Intensity Sensor)를 개발하여 적용한 결과, 건조부산물의 과건조(Over-drying) 및 불량건조(Lack of drying) 방지, 최종함수율의 재현성 확보가 용이하였으며, 특히 커피찌꺼기 대상의 수분강도센서(Moisture Intensity Sensor)를 적용할 경우 검량선(Calibration curve)의 상관계수(Correlation coefficient, R2)가 양호한 결과를 얻을 수 있었다.

밀폐식 수증기 재순환 시스템을 이용한 음식물류폐기물 건조기 최적화 연구

이재희 ( Jae-hee Lee ),최장욱 ( Jang-wook Choi ),채종성 ( Jong-seong Chae ),주진철 ( Jin-chul Joo ),엄태인 ( Tae-in Ohm ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회지 Vol.36 No.4

Drying experiments for the food waste collected from apartment complexes were conducted to optimize the operation conditions of batch-type dryers using the PLC (Programmable Logic Controller) ladder logic language. The experimental parameters for dryer were as follows: 1) the food waste input was 50, 75, or 150 kg, 2) the heating temperature of the dryer was 160, 170, 180, or 190oC, and 3) the cooling time was 0, 0.5, 1.0, 2.0, or 2.5 hr. Additionally, the experiments were performed under water vapor recirculation conditions with varying blower frequencies of 40, 50, or 60 Hz. The effective heat transfer area by the heating medium which filled in the outer wall of the dryer was 0.48 m2, and the water content of the food waste was 79.1 ± 3.1% (mean±standard deviation, n = 49). The average water content of the dried food waste tested under these various operating conditions was 6.5 ± 2.3% (mean±SD, n = 49). At the end of the drying experiment, the temperature (CH1) of the gas discharged from the dryer and the temperature (CH2) of the outlet air from the cooled condenser were monitored, and the temperature difference between CH1 and CH2 calculated as a moving average [(CH1-CH2)/10] was determined when the target value was reached. In this drying experiment, the drying time (operating time, hr), the specific moisture evaporation rate (kg-H₂O/Mcal), the drying efficiency, and the drying rate (kg-H₂O/m² hr) were dependent on the amount of input food waste, the amount of recirculation steam, the drying temperature, and the cooling time.

가스 열원 음식물쓰레기 건조 감량기의 운영비용 최소화

이재희 ( Jae-hee Lee ),최신묵 ( Shin-mook Choi ),최장욱 ( Jang-wook Choi ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2017 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2017 No.-

2014년 기준 13,698톤/일의 음식물쓰레기 발생량 중 공동주택과 감량의무사업장이 차지하는 비율은 각각 38%, 30%이고 계절평균 음식물쓰레기 함수율은 각각 81.5%, 76.2%로 높아 수증기로 증발시키는 건조공정에서의 열원소요비용을 높이는 원인이 된다. 건조 에너지의 주요 공급열원으로는 전기, 가스 및 기름 등의 화석연료이며, 이 중 전기 열원 사용이 가장 간편하고 적용성이 우수하지만 가스 열원에 비해 온실가스 배출량은 단위열량당 2.3배로 상대적으로 높다. 그리고 기름(Light oil, Heavy oil) 열원의 경우 연소 후 연관에 Soot와 같은 입자상물질의 누적에 의한 열전달속도 감소로 열회수 효율을 저감시킨다. 가스(LNG) 열원의 경우 가스유입 배관, 가스보일러 및 연소실이 추가로 필요하지만 연소 시 매연이나 미세분진 발생량이 적고, 일산화탄소와 질소산화물 배출량이 적고, 오존을 생성하는 탄화수소 배출량이 적고, 천연가스 정제비용이 낮고, 누설 시 공기보다 가벼워 대기 중으로 쉽게 확산되어 안전성이 높은 장점과 천연가스 액화기술 발전으로 운송과 보관이 용이할 뿐만 아니라 전 세계적으로 약 100년 이상 사용 가능할 정도로 매장량이 풍부하다. 반면 가스 열원을 건조공정에 사용할 경우 연소 후 폐열의 대기 배출로 열회수 효율을 감소시켜 가스소비량 증가에 의한 운영비용 상승의 단점이 있다. 이를 보완하기 위해서는 기존의 단순 시간종료에서 최종부산물의 목표함수율에 도달할 경우 건조공정 자동종료로 가스소비량을 최소화 할 수 있는 방안도 적절한 대안이 될 수 있다. 건조공정 종료시간 자동화를 위해서는 제어시스템을 개발해야 하며, 종료시점은 폐쇄회로(Closed-loop recirculation system) 건조공정에서 수증기 배출량이 가장 높은 열교환기의 유입과 배출 온도차(⊿T)와 건조기의 배출과 유입 온도차(⊿T)로 설정이 가능하다. 이 중 열교환기 유입, 배출온도 변화가 짧은 시간에 크게 변화함에 따라 종료시점 범위 설정이 용이하지 않음에 비해 건조기 배출, 유입온도 변화는 상대적으로 안정적인 변화폭인 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 최종부산물의 목표함수율에 근접할 수 있는 건조 공정을 모니터링하여 적절한 운전 종료시점을 설정할 수 있는 방안을 제시하기 위해 건조기 배출, 유입 온도차(⊿T)를 적용하였다.